Η ιστορία της μελέτης της ραδιενέργειας ξεκίνησε την 1η Μαρτίου 1896, όταν ο διάσημος Γάλλος επιστήμονας Henri Becquerel ανακάλυψε κατά λάθος μια περίεργη ακτινοβολία στην ακτινοβολία των αλάτων ουρανίου. Αποδείχθηκε ότι οι φωτογραφικές πλάκες που βρίσκονται στο ίδιο κουτί με το δείγμα ήταν φωτισμένες. Η παράξενη, εξαιρετικά διεισδυτική ακτινοβολία που είχε το ουράνιο οδήγησε σε αυτό. Αυτή η ιδιότητα βρέθηκε στα πιο βαριά στοιχεία που συμπληρώνουν τον περιοδικό πίνακα. Του δόθηκε το όνομα "ραδιενέργεια".
Εισαγωγή των χαρακτηριστικών ραδιενέργειας
Αυτή η διαδικασία είναι ο αυθόρμητος μετασχηματισμός ενός ατόμου ενός ισοτόπου ενός στοιχείου σε άλλο ισότοπο με την ταυτόχρονη απελευθέρωση στοιχειωδών σωματιδίων (ηλεκτρόνια, πυρήνες ατόμων ηλίου). Ο μετασχηματισμός των ατόμων αποδείχθηκε ότι ήταν αυθόρμητος, χωρίς να απαιτείται η απορρόφηση ενέργειας από το εξωτερικό. Η κύρια ποσότητα που χαρακτηρίζει τη διαδικασία απελευθέρωσης ενέργειας κατά τη διάρκεια της ραδιενεργής διάσπασης ονομάζεται δραστηριότητα.
Η δραστηριότητα ενός ραδιενεργού δείγματος είναι ο πιθανός αριθμός διασπάσεων ενός δεδομένου δείγματος ανά μονάδα χρόνου. Στο SI (System International)Η μονάδα μέτρησής του ονομάζεται μπεκερέλ (Bq). Σε 1 μπεκερέλ, λαμβάνεται η δραστηριότητα ενός τέτοιου δείγματος, στο οποίο, κατά μέσο όρο, συμβαίνει 1 αποσύνθεση ανά δευτερόλεπτο.
Α=λN, όπου λ είναι η σταθερά διάσπασης, N είναι ο αριθμός των ενεργών ατόμων στο δείγμα.
Διαχωρίστε τα α, β, γ-διασπάσεις. Οι αντίστοιχες εξισώσεις ονομάζονται κανόνες μετατόπισης:
| τίτλος | Τι συμβαίνει | Εξίσωση αντίδρασης |
| α-αποσύνθεση | μετατροπή του ατομικού πυρήνα Χ στον πυρήνα Υ με την απελευθέρωση του πυρήνα του ατόμου ηλίου | ZAX→Z-2YA- 4 +2He4 |
| β - αποσύνθεση | μετατροπή του ατομικού πυρήνα Χ στον πυρήνα Υ με την απελευθέρωση ηλεκτρονίου | ZAX→Z+1YA +-1eA |
| γ - αποσύνθεση | δεν συνοδεύεται από αλλαγή στον πυρήνα, η ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικού κύματος | ZXA→ZXA +γ |
Χρονικό διάστημα στη ραδιενέργεια
Η στιγμή διάσπασης ενός σωματιδίου δεν μπορεί να προσδιοριστεί για αυτό το συγκεκριμένο άτομο. Για αυτόν, αυτό είναι περισσότερο «ατύχημα» παρά μοτίβο. Η απελευθέρωση ενέργειας που χαρακτηρίζει αυτή τη διαδικασία ορίζεται ως η δραστηριότητα του δείγματος.
Έχει διαπιστωθεί ότι υπάρχει ένας χρόνος κατά τον οποίο ακριβώς τα μισά από τα άτομα ενός δεδομένου δείγματος υφίστανται διάσπαση. Αυτό το χρονικό διάστημα ονομάζεται «ημιζωή». Ποιο είναι το νόημα της εισαγωγής αυτής της έννοιας;
Τι είναι ο χρόνος ημιζωής;
Φαίνεται ότι σε μια χρονική περίοδο, ακριβώς τα μισά από όλα τα ενεργά άτομα σε ένα δεδομένο δείγμα διασπώνται. Σημαίνει όμως αυτό ότι σε μια περίοδο δύο ημιζωών, όλα τα ενεργά άτομα θα διασπαστούν πλήρως; Καθόλου. Μετά από μια ορισμένη στιγμή, τα μισά από τα ραδιενεργά στοιχεία παραμένουν στο δείγμα, μετά την ίδια χρονική περίοδο, τα μισά από τα υπόλοιπα άτομα διασπώνται κ.ο.κ. Σε αυτή την περίπτωση, η ακτινοβολία επιμένει για μεγάλο χρονικό διάστημα, υπερβαίνοντας σημαντικά τον χρόνο ημιζωής. Αυτό σημαίνει ότι τα ενεργά άτομα παραμένουν στο δείγμα ανεξάρτητα από την ακτινοβολία
Ο χρόνος ημιζωής είναι μια τιμή που εξαρτάται αποκλειστικά από τις ιδιότητες μιας δεδομένης ουσίας. Η τιμή της ποσότητας έχει προσδιοριστεί για πολλά γνωστά ραδιενεργά ισότοπα.
Πίνακας: "Ο χρόνος ημιζωής της διάσπασης μεμονωμένων ισοτόπων"
| Όνομα | Ονομασία | Τύπος αποσύνθεσης | ημιζωή |
| Ράδιο | 88Ra219 | άλφα | 0, 001 δευτερόλεπτα |
| Μαγνήσιο | 12Mg27 | beta | 10 λεπτά |
| Ραδόνιο | 86Rn222 | άλφα | 3, 8 διανυκτερεύσεις |
| Κοβάλτιο | 27Co60 | beta, γάμμα | 5, 3 χρόνια |
| Ράδιο | 88Ra226 | άλφα, γάμμα | 1620 χρόνια |
| Ουρανός |
92U238 |
άλφα, γάμμα | 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια |
Ο προσδιορισμός του χρόνου ημιζωής γίνεται πειραματικά. Κατά τη διάρκεια των εργαστηριακών μελετών, η δραστηριότητα μετράται επανειλημμένα. Δεδομένου ότι τα εργαστηριακά δείγματα είναι ελάχιστου μεγέθους (η ασφάλεια του ερευνητή προέχει), το πείραμα πραγματοποιείται με διαφορετικά χρονικά διαστήματα, επαναλαμβανόμενο πολλές φορές. Βασίζεται στην κανονικότητα των αλλαγών στη δραστηριότητα των ουσιών.
Για να προσδιοριστεί ο χρόνος ημιζωής, η δραστηριότητα ενός δεδομένου δείγματος μετράται σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι αυτή η παράμετρος σχετίζεται με τον αριθμό των διασπασμένων ατόμων, χρησιμοποιώντας το νόμο της ραδιενεργής διάσπασης, προσδιορίζεται ο χρόνος ημιζωής.
Παράδειγμα ορισμού ισοτόπου
Έστω ο αριθμός των ενεργών στοιχείων του υπό μελέτη ισοτόπου σε μια δεδομένη χρονική στιγμή N, το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η παρατήρηση είναι t2- t 1, όπου οι χρόνοι έναρξης και λήξης της παρατήρησης είναι αρκετά κοντά. Ας υποθέσουμε ότι n είναι ο αριθμός των ατόμων που διασπάστηκαν σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα, τότε n=KN(t2- t1).
Σε αυτήν την έκφραση, K=0,693/T½ είναι ο συντελεστής αναλογικότητας, ο οποίος ονομάζεται σταθερά διάσπασης. T½ - χρόνος ημιζωής ισοτόπων.
Ας πάρουμε το χρονικό διάστημα ως μονάδα. Σε αυτήν την περίπτωση, το K=n/N υποδηλώνει την αναλογία των πυρήνων ισοτόπων που υπάρχουν αυτή τη διάσπαση ανά μονάδα χρόνου.
Γνωρίζοντας την τιμή της σταθεράς αποσύνθεσης, μπορούμε επίσης να προσδιορίσουμε τον χρόνο ημιζωής της διάσπασης: T½=0,693/K.
Από εδώ προκύπτει ότι δεν διασπάται ένας συγκεκριμένος αριθμός ενεργών ατόμων ανά μονάδα χρόνου, αλλά ένα ορισμένο ποσοστό αυτών.
Ο νόμος της ραδιενεργής διάσπασης (LRR)
Ο χρόνος ημιζωής είναι η βάση του RRR. Το μοτίβο προήλθε από τους Frederico Soddy και Ernest Rutherford με βάση τα αποτελέσματα πειραματικών μελετών το 1903. Παραδόξως, πολλαπλές μετρήσεις που έγιναν με συσκευές που κάθε άλλο παρά τέλειες, στις συνθήκες των αρχών του εικοστού αιώνα, οδήγησαν σε ένα ακριβές και λογικό αποτέλεσμα. Έγινε η βάση της θεωρίας της ραδιενέργειας. Ας εξαγάγουμε τη μαθηματική σημειογραφία του νόμου της ραδιενεργής διάσπασης.
- Έστω N0ο αριθμός των ενεργών ατόμων σε μια δεδομένη στιγμή. Μετάχρονικό διάστημα t, N στοιχεία θα παραμείνουν αδιάσπαστα.
- Μέχρι το χρονικό σημείο ίσο με τον χρόνο ημιζωής, θα παραμείνουν ακριβώς τα μισά από τα ενεργά στοιχεία: N=N0/2.
- Μετά από άλλο χρόνο ημιζωής, το ακόλουθο παραμένει στο δείγμα: N=N0/4=N0/22 ενεργά άτομα.
- Μετά την πάροδο άλλου χρόνου ημιζωής, το δείγμα θα διατηρηθεί μόνο: N=N0/8=N0/ 23.
- Μέχρι να περάσουν οι n χρόνοι ημιζωής, N=N0/2ενεργά σωματίδια θα παραμείνουν στο δείγμα. Σε αυτήν την έκφραση, n=t/T½: ο λόγος του χρόνου μελέτης προς τον χρόνο ημιζωής.
- Το ZRR έχει μια ελαφρώς διαφορετική μαθηματική έκφραση, πιο βολική στην επίλυση προβλημάτων: N=N02-t/ T½.
Το σχέδιο σάς επιτρέπει να προσδιορίσετε, εκτός από τον χρόνο ημιζωής, τον αριθμό των ατόμων του ενεργού ισοτόπου που δεν έχουν διασπαστεί σε μια δεδομένη στιγμή. Γνωρίζοντας τον αριθμό των ατόμων του δείγματος στην αρχή της παρατήρησης, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα είναι δυνατό να προσδιοριστεί η διάρκεια ζωής αυτού του φαρμάκου.
Ο τύπος για τον νόμο της ραδιενεργής διάσπασης βοηθά στον προσδιορισμό του χρόνου ημιζωής μόνο εάν υπάρχουν ορισμένες παράμετροι: ο αριθμός των ενεργών ισοτόπων στο δείγμα, που είναι αρκετά δύσκολο να εντοπιστεί.
Συνέπειες του νόμου
Μπορείτε να γράψετε τον τύπο RRR χρησιμοποιώντας τις έννοιες της δραστηριότητας και της ατομικής μάζας του φαρμάκου.
Η δραστηριότητα είναι ανάλογη με τον αριθμό των ραδιενεργών ατόμων: A=A0•2-t/T. Σε αυτόν τον τύπο, το A0 είναι η δραστηριότητα του δείγματος την αρχική χρονική στιγμή, το A είναιδραστηριότητα μετά από t δευτερόλεπτα, T - χρόνος ημιζωής.
Η μάζα της ύλης μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο μοτίβο: m=m0•2-t/T
Κατά τη διάρκεια οποιωνδήποτε ίσων χρονικών διαστημάτων, διασπάται απολύτως η ίδια αναλογία ραδιενεργών ατόμων που είναι διαθέσιμα σε αυτό το φάρμακο.
Όρια εφαρμογής του νόμου
Ο νόμος από κάθε άποψη είναι στατιστικός, καθορίζοντας τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στον μικρόκοσμο. Είναι σαφές ότι ο χρόνος ημιζωής των ραδιενεργών στοιχείων είναι μια στατιστική τιμή. Η πιθανολογική φύση των γεγονότων στους ατομικούς πυρήνες υποδηλώνει ότι ένας αυθαίρετος πυρήνας μπορεί να καταρρεύσει ανά πάσα στιγμή. Είναι αδύνατο να προβλεφθεί ένα γεγονός· μπορεί κανείς να προσδιορίσει την πιθανότητα του μόνο σε μια δεδομένη χρονική στιγμή. Κατά συνέπεια, ο χρόνος ημιζωής δεν έχει νόημα:
- για ένα μόνο άτομο;
- για δείγμα ελάχιστου βάρους.
Διάρκεια ζωής ενός ατόμου
Η ύπαρξη ενός ατόμου στην αρχική του κατάσταση μπορεί να διαρκέσει ένα δευτερόλεπτο ή ίσως εκατομμύρια χρόνια. Επίσης, δεν χρειάζεται να μιλήσουμε για τη διάρκεια ζωής αυτού του σωματιδίου. Εισάγοντας μια τιμή ίση με τη μέση τιμή της διάρκειας ζωής των ατόμων, μπορούμε να μιλήσουμε για την ύπαρξη ατόμων ενός ραδιενεργού ισοτόπου, τις συνέπειες της ραδιενεργής διάσπασης. Ο χρόνος ημιζωής του πυρήνα ενός ατόμου εξαρτάται από τις ιδιότητες αυτού του ατόμου και δεν εξαρτάται από άλλες ποσότητες.
Είναι δυνατόν να λυθεί το πρόβλημα: πώς να βρείτε τον χρόνο ημιζωής, γνωρίζοντας τη μέση διάρκεια ζωής;
Προσδιορίστε τον τύπο ημιζωής για τη σχέση μεταξύ της μέσης διάρκειας ζωής ενός ατόμου και της σταθεράς διάσπασηςβοηθά εξίσου πολύ.
τ=T1/2/ln2=T1/2/0, 693=1/ λ.
Σε αυτήν την καταχώρηση, τ είναι η μέση διάρκεια ζωής, λ είναι η σταθερά αποσύνθεσης.
Χρήση χρόνου ημιζωής
Η χρήση του ZRR για τον προσδιορισμό της ηλικίας μεμονωμένων δειγμάτων έχει γίνει ευρέως διαδεδομένη στην έρευνα στα τέλη του 20ού αιώνα. Η ακρίβεια του προσδιορισμού της ηλικίας των απολιθωμάτων έχει αυξηθεί τόσο πολύ που μπορεί να δώσει μια ιδέα για το χρόνο ζωής για χιλιετίες π. Χ.
Η ανάλυση ραδιενεργών οργανικών δειγμάτων απολιθωμάτων βασίζεται σε αλλαγές στη δραστηριότητα του άνθρακα-14 (ένα ραδιενεργό ισότοπο άνθρακα) που υπάρχει σε όλους τους οργανισμούς. Εισέρχεται στον ζωντανό οργανισμό στη διαδικασία του μεταβολισμού και περιέχεται σε αυτόν σε μια ορισμένη συγκέντρωση. Μετά τον θάνατο, η ανταλλαγή ουσιών με το περιβάλλον σταματά. Η συγκέντρωση του ραδιενεργού άνθρακα πέφτει λόγω της φυσικής αποσύνθεσης, η δραστηριότητα μειώνεται αναλογικά.
Όταν υπάρχει μια τιμή όπως ο χρόνος ημιζωής, ο τύπος του νόμου της ραδιενεργής διάσπασης βοηθά στον προσδιορισμό του χρόνου από το τέλος της ζωής του οργανισμού.
Αλυσίδες ραδιενεργού μετασχηματισμού
Έρευνα ραδιενέργειας πραγματοποιήθηκε σε εργαστηριακές συνθήκες. Η εκπληκτική ικανότητα των ραδιενεργών στοιχείων να παραμένουν ενεργά για ώρες, μέρες ακόμα και χρόνια δεν θα μπορούσε παρά να εκπλήξει τους φυσικούς των αρχών του εικοστού αιώνα. Οι μελέτες, για παράδειγμα, για το θόριο, συνοδεύτηκαν από ένα απροσδόκητο αποτέλεσμα: σε μια κλειστή αμπούλα, η δραστηριότητά του ήταν σημαντική. Με την παραμικρή ανάσα έπεσε. Το συμπέρασμα αποδείχθηκε απλό: ο μετασχηματισμός του θορίου συνοδεύεται από την απελευθέρωση ραδονίου (αερίου). Όλα τα στοιχεία στη διαδικασία της ραδιενέργειας μετατρέπονται σε μια εντελώς διαφορετική ουσία, η οποία διαφέρει τόσο σε φυσικές όσο και σε χημικές ιδιότητες. Αυτή η ουσία, με τη σειρά της, είναι επίσης ασταθής. Τρεις σειρές παρόμοιων μετασχηματισμών είναι επί του παρόντος γνωστές.
Η γνώση τέτοιων μετασχηματισμών είναι εξαιρετικά σημαντική για τον προσδιορισμό του χρόνου απροσπέλασης των ζωνών που έχουν μολυνθεί κατά τη διαδικασία της ατομικής και πυρηνικής έρευνας ή καταστροφών. Ο χρόνος ημιζωής του πλουτωνίου - ανάλογα με το ισότοπό του - κυμαίνεται από 86 χρόνια (Pu 238) έως 80 εκατομμύρια χρόνια (Pu 244). Η συγκέντρωση κάθε ισοτόπου δίνει μια ιδέα για την περίοδο απολύμανσης της περιοχής.
Το πιο ακριβό μέταλλο
Είναι γνωστό ότι στην εποχή μας υπάρχουν μέταλλα πολύ πιο ακριβά από τον χρυσό, το ασήμι και την πλατίνα. Περιλαμβάνουν πλουτώνιο. Είναι ενδιαφέρον ότι το πλουτώνιο που δημιουργήθηκε στη διαδικασία της εξέλιξης δεν εμφανίζεται στη φύση. Τα περισσότερα από τα στοιχεία ελήφθησαν σε εργαστηριακές συνθήκες. Η εκμετάλλευση του πλουτωνίου-239 στους πυρηνικούς αντιδραστήρες του επέτρεψε να γίνει εξαιρετικά δημοφιλής αυτές τις μέρες. Η απόκτηση επαρκών ποσοτήτων αυτού του ισοτόπου για χρήση σε αντιδραστήρες το καθιστά πρακτικά ανεκτίμητο.
Το πλουτώνιο-239 λαμβάνεται σε φυσικές συνθήκες ως αποτέλεσμα μιας αλυσίδας μετασχηματισμών του ουρανίου-239 σε ποσειδώνιο-239 (χρόνος ημιζωής - 56 ώρες). Μια παρόμοια αλυσίδα καθιστά δυνατή τη συσσώρευση πλουτωνίου σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Ο ρυθμός εμφάνισης της απαιτούμενης ποσότητας υπερβαίνει το φυσικό inδισεκατομμύρια φορές.
Εφαρμογές ενέργειας
Μπορεί κανείς να μιλήσει πολύ για τις ελλείψεις της πυρηνικής ενέργειας και την «παραξενιά» της ανθρωπότητας, η οποία χρησιμοποιεί σχεδόν κάθε ανακάλυψη για να καταστρέψει το δικό της είδος. Η ανακάλυψη του πλουτωνίου-239, το οποίο είναι ικανό να συμμετάσχει σε μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, κατέστησε δυνατή τη χρήση του ως πηγή ειρηνικής ενέργειας. Το ουράνιο-235, το οποίο είναι ανάλογο του πλουτωνίου, είναι εξαιρετικά σπάνιο στη Γη, είναι πολύ πιο δύσκολο να το εξαγάγετε από μετάλλευμα ουρανίου παρά να αποκτήσετε πλουτώνιο.
Ηλικία της Γης
Η ανάλυση ραδιοϊσοτόπων των ισοτόπων ραδιενεργών στοιχείων δίνει μια πιο ακριβή ιδέα για τη διάρκεια ζωής ενός συγκεκριμένου δείγματος.
Χρησιμοποιώντας την αλυσίδα μετασχηματισμών "ουράνιο - θόριο", που περιέχεται στον φλοιό της γης, καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της ηλικίας του πλανήτη μας. Το ποσοστό αυτών των στοιχείων κατά μέσο όρο σε όλο τον φλοιό της γης είναι η βάση αυτής της μεθόδου. Σύμφωνα με τα τελευταία στοιχεία, η ηλικία της Γης είναι 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια.
